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[책리뷰] 컴퓨터 밑바닥의 비밀: ch6.1 CPU는 어떻게 입출력 작업을 처리할까? (2)

온별파파 2024. 10. 6. 22:58
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이 글은 책 컴퓨터 밑바닥의 비밀 chapter 6.1의 내용을 읽고 요약한 글입니다. 

 

6.1.5 배달 음식 주문과 중단 처리

  • 배달 음식을 주문 후 즐겁게 게임을 한다고 가정
  • 게임 중 배달 음식이 도착하면 게임을 일시 중지한 후 배달 음식을 받고 자리로 돌아와 게임을 이어할 수 있음 → 인터럽트 처리 과정

 

컴퓨터 시스템에서 기초적인 인터럽트 처리 구조

 
  • CPU가 특정 프로세스(프로세스 A)의 기계 명령어를 실행할 때 새로운 이벤트가 발생
    • 네트워크 카드에 새로운 데이터가 들어오면 외부 장치가 인터럽트 신호를 보내고
    • CPU는 실행 중인 현재 작업의 우선순위가 인터럽트 요청보다 높은지 판단
    • 인터럽트의 우선순위가 더 높다면 현재 작업 실행으 일시 중지하고 인터럽트를 처리하고 다시 현재 작업으로 돌아옴
  • 프로그램은 계속 끊임없이 실행되는 것이 아니라 언제든지 장치에 의해 실행이 중단될 수 있음
  • 하지만 이 과정은 프로그래머에게 드러나지 않으며 중단 없이 실행되고 있는 것처럼 느끼게 만듦

 

6.1.6. 인터럽트 구동식 입출력

인터럽트 발생 시 CPU가 실행하는 명령어 흐름

프로그램 A의 기계 명령어 n 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 1 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 2 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 3 실행
인터럽트 신호 감지
프로그램 A의 실행 상태 저장
인터럽트 처리 기계 명령어 m 실행
인터럽트 처리 기계 명령어 m + 1 실행
인터럽트 처리 기계 명령어 m + 2 실행
인터럽트 처리 기계 명령어 m + 3 실행
프로그램 A의 실행 상태 복원
프로그램 A의 기계 명령어 n + 4 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 5 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 6 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 7 실행
  • 폴링 방식보다 효율적으로 시간을 낭비하지 않음
    • 실제는 약간의 시간을 낭비하는데 주로 프로그램 A의 실행 상태를 저장하고 복원하는데 사용

프로그램 A의 관점에서 CPU가 실행하는 명령어 흐름은 아래와 같음

프로그램 A의 기계 명령어 n 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 1 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 2 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 3 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 4 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 5 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 6 실행
프로그램 A의 기계 명령어 n + 7 실행
  • CPU는 마치 중단된 적이 없는 것처럼 자신의 명령어를 계속 실행 → 프로그램 A의 실행 상태를 저장하고 복원하는 작업이 필요한 이유로 입출력을 비동기로 처리하는 방법을 인터럽트 구동식 입출력이라고 함 (interrupt driven input and output)

6.1.7 CPU는 어떻게 인터럽트 신호를 감지할까?

CPU가 기계 명령어를 실행하는 과정

  • 명령어 인출(instruction fetch)
  • 명령어 해독(instruction decode)
  • 실행(execute)
  • 다시 쓰기(write back)
  • CPU가 하드웨어의 인터럽트 신호를 감지하는 단계

인터럽트 신호가 발생하면 이 이벤트를 처리할지 여부를 반드시 결정해야 함

6.1.8 인터럽트 처리와 함수 호출의 차이

  • 함수를 호출하기 이전에 반환 주소, 일부 범용 레지스터의 값, 매개변수 등 정보 저장이 필요
  • 인터럽트 처리 점프는 서로 다른 두 실행 흐름을 포함하므로 함수 호출에 비해 저장해야 할 정보가 훨씬 많음

6.1.9 중단된 프로그램의 실행 상태 저장과 복원

 

  • 프로그램 A가 실행 중일 때 인터럽트가 발생하면 A의 실행은 중단되고, CPU는 인터럽트 처리 프로그램(interrupt handler) B로 점프
  • CPU가 인터럽트 처리 프로그램 B를 실행할 때 다시 인터럽트가 발생하면 B는 중단되고 CPU는 인터럽트 처리 프로그램 C로 점프
  • CPU가 인터럽트 처리 프로그램 C를 실행할 때 도 다시 인터럽트가 발생하면 C의 실행은 중단되고 CPU는 인터럽트 처리 프로그램 D로 점프
  • D의 실행이 완료되면 프로그램 C, B, A 순서대로 반환됨

상태 저장 순서

  1. 프로그램 A의 상태 저장
  2. 프로그램 B의 상태 저장
  3. 프로그램 C의 상태 저장

상태 복원 순서

  1. 프로그램 C의 상태 복원
  2. 프로그램 B의 상태 복원
  3. 프로그램 A의 상태 복원

상태가 먼저 저장될수록 상태 복원은 더 나중에 됨 → 스택를 사용해 구현하고, 스택에는 다음 기계 명령어 주소와 프로그램의 상태가 저장됨

 

 

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